（轮机工程专业论文）12v132柴油机燃油系统综合优化研究.pdf

哈自；演i 榉人学硕十学位论文 摘要 本文主要研究的是1 2 v 1 3 2 柴油机的燃油喷射系统及其工作过程的模 掇嚣繁，葵孛穗、灏系统是援：燃涟泵一裹嚣涵警一囔涵爨麓泵一管一褥系 统。静先，奉文利用a v l 公司的h t d s y m 软件建立浚柴油机燃油喷射系 统的数值模型；其中包括物理模型的建立，计算模型的建立及其各项参数 指标蚋确定。 穰鼙搭建完毕强瑶透过运行h y d s i m 软件对模登遴行分椽诗算，可戬 得到喷射仃j 力、采腔压力、出油阀腔压力、针阀升稃、喷油率、累积喷油 量等系列指标。而后本文对1 2 v 13 2 燃油喷射系统的横拟计算结果进行 了分缀计算，透过对燃演嚷鬟系统毅毫压灞管悫径、唉演器渣警足寸、囔 孔尺寸的调整得濑优化后的各项性能指标。 然后，本文采用b o o s t 软件对1 2 v 1 3 2 发动机进行建模，建立了该发 动枫的= 搏过程横塑。在模型疆确的基础上，通过静瑶对燃油喷射系统模 叛诗簿所获褥的然漆系统鞔遂平鞠压力军霹燃漓咬瓣搴等系统参数佟为 1 2 v i3 2b o o s t 模型的原始数据。通过模拟计算得出1 2 v 1 3 2 缸内燃烧的 一系列指标。计算结果表明，选择合适的压缩比、喷油提前角，可以改善 蠡王内戆燃烧过毽，舞羝爨 瘗浚糕奉。毽是褒 2 v 1 3 2 计黪结暴中氇发骥， 发动机的局部气体温度和压力过高，这必然会导致仿真结果与实际情况存 在谡麓。斟此针对这些不足今后还需要作避步的修正和完善。 关键词：柴油机 燃油喷身4 系统；工作过稷；模拟计算 哈尔滨工鞲! 大学硕士学位论文 a 鞲s t r a c t t h ep a p e ri sc o n l ef r o m1 2 v 1 3 2d i e s e l t h ef u e li n j e c t i o ns y s t e ma n d o p e r a t i n gp r o c e s ss i m u l a t i n gc a l c u l a t i o ni st h em a i nd u t yo ft h i sp a p e r 。t h e f u e li n j e c t i o ns y s t e mi sr e f e r st op u m p l i n e o r i f i c es y s t e m t h e nt h ep a p e r m a k eu s eo fh t d s y ms o f t w m eo fa v lt os e ti l pt h em o d e lo ff u e li n j e c t i o n s y s t e m 。t h em o d c i n c l u d et h ep h y s i c a lm o d e la n dc a l c u l a t i o nm o d e la n di t s p a r a m e t e r sd e s i g n w h e nt h em o d e li sc o m p l e t e d ，w er u nt h eh y d s i mm o d e lt h a tw ec a n o b t a i n t h ep r e s s u r eo ff u e l i n j e c t i o n ，t h ep r e s s u r eo fp u m pc h a m b e r ，t h e p r e s s u r eo fv a l v ec h a m b e r ，t h el i f t o ft h en e e d l e ，t h ei n j e c tr a t ea n ds o o n t h e nt h i s p a p e ra n a l y z e dt h e r e s u l to fs i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n w i t h a 锄u s t i n gt h ep a r a m e t e r s ，s u c ha st h ed i a m e t e ro fh i g hp r e s s u r el i n e ，t h es i z e o fs a co r i f i c e ，t h es i z eo fs p r a yh o l ew ec a ng e ta d j u s t e dp a r a m e t e r so f t h ef u e l i n j e c t i o ns y s t e m 。t h e nm a k eu s eo fb o o s ts o f t w a r e ，w es e tu pt h em o d e lo f o p e r a t i n gp r o c e s s b a s e do nt h ef n e li n j e c t i o ns y s t e ms i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n ， w eg e ts o m ep a r a m e t e r ss u c ha st h er a i lp r e s s u r e ，t h ei n j e c tr a t e a l lo f t h i sa s i n i t i a lp a r a m e t e r si n p mt ob o o s tm o d e lo f12 v 13 2 w i t ht h eo p e r a t i n gp r o c e s ss i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n ，w ec a ng e tas e r i e s p a r a m e t e r so f t h ec y l i n d e rb u r n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tc h o o s e t h ea p p r o p r i a t ec o m p r e s s i o nr a t i o ，t h ea n g l eo ff u e li n j e c t i o nc a ni m p r o v et h e c y l i n d e rb u r na n dr e d u c et h ef u e le x h a u s t b u t ，a tt h es a m et i m e ，w ea l s of i n d t h es i m u l a t i n gr e s u l te x i s t su n p e r f e c t e d ，s u c ha st h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e a r em u c hh i g h e r t h e r e f o r ew ew i l ld om o r ew o r kt oa d j u s t i n ga n dp e r f e c t i n g k e y w o r d s ：d i e s e l ：f i s ：o p e r a t i n gp r o c e s s ；s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，壹作者本人独立完成的。有关蕊点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献桐对应。除文中已 注喇 3 1j i j 瓣内容辨，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公丌发表的作d | 1 1 成果。对本文的研究做出 重要贡献的个 人秘集体，均已在文中以嘤确方式标明。套人完全意识到 本声明的法律结果南本人承担。 作者( 签- 7 - ) ：缝堑 二 期：l ，6 i i 月7 同 哈尔滨1 稗大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外高速柴油机发展现状 柴油机已经经历了一个多世纪的发展，它对世界工业革命和社会经济 发展起到了巨大的推动作用。由于其经济性好，动力性能优，功率范围广， 可靠酬久，已经成为世界上最广泛的动力源之一。随着电子技术的发展和 对内燃机排放限制要求的同益严格，人们在“可靠性、经济性、可维修性、 排放”这四个方面做h 了新的艰莆的努力。逐步突破高平均有效压力、 高增压、高燃烧压力，即高指标柴油机的总体可靠性设计技术、高增压技 术、高压燃油喷射技术以及智能化技术8 】，使柴油机取得了很大进展迸发 m 了新的活力。 1 1 1 国内现状和发展动态 近年来，我国船用柴油机的技术水平获得了较大发展，通过技术引进， 不但使我们学握了国外柴油机先进技术，同时对我国柴油机制造工厂进行 了相应的技术改造，补充和更新了一批若键工艺设备w 。与此同时，在各 研究设计院所、高等院校和制造仓业通力合作下，我国也研制了不少新一 代船用柴油机产品，通过大量的研究和试制工作，也取得了不少丰硕成果。 8 0 年代初以来，我国陆续引进了一些较先进的生产许可证，如：d e u t z m w m 6 0 4 b 和2 3 4 ，$ 2 0 ，a t l 2 5 ，d l 2 2 ，s e m t p i e l s t i c kp a 6 和p c 2 ， m t u 3 3 l 等m 1 这些机型的引进对我国的柴油机发展起到了积极的作用。 征吸收固外先进技术的同时我多对老机型作了改进提高，如1 2 v e 2 3 0 柴 油机功率从1 6 18 k w 提高到了2 4 2 6 k w l ：”，同时也丌发了一些新的机型。但 是总的来说，我国现有的船用柴油机主要技术指标如强载度、可靠性和燃 油消耗率等与国外先进机型相比，尚存在不少差距。我国高速柴油机产业 的发展现状是：设计、研究和生产体系初具规模，总体水平不高，关键零 部什制造丁艺落后，达不到高质量水平。所以我国柴油机产业的发展正朝 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 着高强化、轻质量、低油耗、工作可靠、寿命长、低有害排放、低噪音、 便于使用和维修等方向发展| 。而采用高几三直接喷射、高增压、电子控制 技术已成为柴油机技术进步的方向。 1 1 2 国外现状和发展动态 国外如同本、韩国、英国、美国、法国、德国、丹麦等主要造船国家 。i 。柴油机制造业的发展具有以下共同特点1 超大量的投入：2 资本的集中： 3 柴油机技术的发展早已不是依靠个人的专利发明进行重要改进的时代， 科研集体在现代柴油机的发展中起了主导作用：4 重视质量；5 转让及扩 散q i 产p “。其中高速柴油机一直以m t u 公司、d e u t z m w m 公司、c a t e r p i l l a r 公词和p a x m a n 公司的产品占有苹要地位。 t b d 2 3 4 系列柴油机是河南柴油机集团公司于1 9 8 5 年从德国道依茨公 司引进的船陆通用的产品，现己批量生产3 0 多种不同用途的柴油机。 t b d 2 3 4 系列柴油机具有结构紧凑、功率覆盖面广、油耗低、排放低、可 靠性高、启动性能好、维修方便、使用寿命长、性能指标先进等优点j 。 幽1 1t b d 2 3 4 柴油机立体剖面幽 表1 1t b d 2 3 4 性能参数 1 2 v 13 2 指标 单何 v 6v 8v 1 2v 16 缸j 寻：1 2 8 冲程m m1 4 0 功率k w1 0 4 3 6 01 4 0 4 8 02 0 8 ，7 2 0 5 1 0 9 0 0 转述 r ，m i n15 0 0 2 3 0 0 r 逢 船目自土机，船、l 轿州发l 也机耋h ，汽下、l ? 利机械、油田钻机等的动力 哈尔滨”1 ：程火学硕士学俄论文 1 2 綮油视性麓捂标的发鼹 由于近十几年米能源和环境保护作为影响柴油机存在和发展的两大问 题，趱泰越引起重撬，舞 效法嫒越来越严旗。嚣嚣出予增援技零款发戚秘 电予计箨机技术的广泛应用，以及新技术、新材料和新工艺的广泛推广， 促进了柴油机设计、丌发和制娥技术的迅速发展，其动力经济性、可靠性 和寿余不龋提高，升功率上升，餍量功率比下降，通过聪降低发动枫瓣破 帮噪声的努力，浆溜穰正在交褥越柬越安羚耨溘净纯f 】。英往髓撂标豹暴 体发展内容为： 1 强化程度不断提高。提高柴油机的强化程度，使之在有限的气佰：e 工 俸容鞭条傅下握蠢繁、蘧瓤熬功囊始终是其发矮爨星拣。提凌强纯程疫系搓 提离平均有效压力和活塞平均速度。采用增压技术来提高平均有效压力是 提高柴油机功率的主要手段。 2 。降低燃油消耗率、提高经济牲。由于柴油枫豹燃油消耗占其运行成 搴的镱六帮势，蠢既，降低燃涵漓耗率掰紊怒紫漕辊技拳邋步翡主要嚣稼。 门j 提商热效率和降低柴油机的摩擦损失等措施来降低燃油消耗率。 3 提高柴油机的可靠眭和耐久性。由于柴油机的任何故障停车或攀故 蘩会搜瘸户蒙受缎渗蔹失，莠按嚣金韭声誉，莱耪程度上它已藏为枣臻竞 争的曾簧因素，尉前国产柴浦概产品与国外相比还存在着差距，有待予改 进以邋应国际市场汽争的需要。 4 + 鼹 氐瘦气中有害排放和噪声。随羞工她的发展，环境污染只益严蕊， 奁众多豹污染添中繁涵程毒骞捺教占了臻大鼯分。为篷，瞧雾各藿帮瓣定 了严格的排放法规以限制柴油机废气有害排敞。柴油机的有害摊放甑括 c o 、h c 、n 0 。、s o ，和微粒等，其中以n o 。和微粒最难消除m 】，因而成为 装魏梭搀教疆究豹羹：点霹主攻方淘。 嵘，葑柯害于健康也是一种上4 ：境污染车辆和。f 。程机械的噪声主黉宋 源于发动机，凶此阵低柴油机的噪声是另一个研究的重点和主攻方向m 】。 哈尔滨l 。牲人学硕+ 学位论文 1 1 3 国内外柴油机相关技术的发展现状 1 电子技术的应用。为满足柴油机日益苛刻的排放法规和经济性和动 j 性的要求，电控柴油机己得到迅速发展。柴油机采用电控技术可优化控 制喷油规律和喷油量，控制预混合燃烧和扩散部分的燃油量，提高柴油机 的功率，降低柴油机的噪声。在主喷射前进行预喷射可有效降低n o 。和噪 声。此外废气再循环( e g r ) 是柴油机降低n o 。排放的有效措施，但过量 的e g r 会导致燃烧恶化，电控e g r 可保证在各种工况下实现最佳的e g r 率。m 于电子技术的应用与发展，使柴油机从传统的机械产品进入到机电 一体化技术密集型产品。 2 采用增压技术。增压技术尤其是增压中冷技术，一直被视为提高柴 油机动力性能、经济性能和降低排放的有效措施。 1 3 1 燃油系统的模拟计算 燃油从喷油泵到喷油器的流动过程中，在高压油管内存在着压力波动 现象。由于这一现象存在，使得实际喷有规律与柱塞的几何供油规律相差 很大。也就是说，燃油在油管内的流动特性在很大程度上决定着燃油喷射 的质量好坏m i 。实际上，喷油过程模拟计算的主要内容就是对高压油管道 内流动过程的模拟计算。管内流动过程的发展历程也基本反映了喷油过程 模拟计算的发展之路。喷油过程模拟计算包括建立物理模型和数学模型， 选择数值求解方法以及确定边界条件。这也是喷油过程模拟计算不变的 卜题。 喷油过程模拟计算曾经用过的方法主要有图解法、小扰动法和特征线 法，这是几种传统的计算方法，发展较早。此外，有限差分法和有限容积 法在近些年也逐渐得到应用。 1 + 图解法 图解法刖作图的方法来求解高压油管内压力波动效应的方法。它利用 表示压力、速度变化关系的状态平面图来说明高压油管内压力波反射的物 理现象。图解法所用的高压油管内的流动控制方程为： 哈尔滨l 稃人学硕十学位论文 竺：鱼 “口 式中：p 一一油管内压力增量 “一一油管内速度增量 e 一一燃油弹性模量 口一一燃油音速 在喷油压力较低时，e 和c t 变化很小，基本上是常数。因此上式说 明，在喷油过程中，高压油管中的压力增量与速度增量之比为常数。在p u ( 压力一速度) 状态平面图上作喷嘴特性曲线( 喷嘴的压力一流量或压力 流速关系曲线，由小7 l 流量公式确定) ，然后，以油管初始条件为坐标 f 原点，按斜率d = a r c t g 兰作直线至泵端边界条件( 流速由柱塞速度确定) 得 口 p 交点，这个过程为前进波的传播；再自该交点作斜率为口= a r c t g 一兰的直 盘 线与喷嘴特性线相交得另一交点，这个过程为反射波的传播。这一过程按 顺序进行，直到压力降至低于喷嘴的开启压力，燃油停止喷射。这一系列 的交点即确定了泵端和喷嘴端的压力波和速度波。图解法是一种很粗略很 原始的分析高压油管内压力波动效应的方法。但图解法简洁明了，概念清 晰，能够比较随观的揭示高压油管内燃油非定常流动的本质，借助于图解 法这一工具，可以阐明各种不正常喷射，如：二次喷射、断续喷射、隔次 喷射、断流现象、滴漏现象、空泡穴蚀等产生的原因m ，以及解释消除不 f 常喷射的各种措施的理论依据。 2 小扰动法 小扰动法的依据是线性声波原理。在声学中，声波传播所涉及的是小 振幅的压力波，因此，当所讨论的管内流体状态变化的幅度较小时，就可 利用声波传播理论柬解决管内流动问题。假定所讨论的管内流体状态的变 化仅涉及小振幅扰动这种扰动在流体中以声速传播，另外，在整个流动 过程中，假定流体密度和声速是常数。则管内流动控制方程为： 哈尔滨【程人! 学硕：1 ：学位论文 l 署懈! 筹- o 怯o p + p 面o u = 。 将上式写成达朗贝尔( d a l e m b e r t ) 形式 p = p 。+ f o 一言) 一( f + 言) “：“。+ 上【f ( f x - ) + w ( t + 三) o a dn 其中f ( t 一兰) j , j 自泵端向嘴端传播的前进压力波，u + 兰) 为自 d d 嘴端向泵端传播的反射压力波。他们的具体内容由实际问题的边界条 件和初始条件给出。若考虑流体沿管道流动时的粘性阻力，流动控制 方程为： l 至+ 口口：塑：0 ia t o x 瓦o p + 尸百o u + 2 枷- 0 p = p o + e 一“ f u 一兰) 一r v ( t + 兰) 口 n 。+ 磊1e “叭，一兰a m ( ，+ d 口 口 小扰z 珈法是研究管内。维非定常流动的一种老式算法，能在一定的精 度范围内反应管内流动的实际情况。他的使用具有 定的局限性，仅适于 小振幅的扰动波的传播，可考虑的影响因素不多，当管内流动的压力波幅 较大时，小扰动法会带来较大的误差。 特征线法的思想来源于流体力学方程组存在特征线以及扰动以特征速 度沿特征线传播的独特特点。具体柬说，就是在空州和时间半平面上，引 进一族特殊的曲线特征线，在这些特征线上将偏微分方程归结为常微分方 哈尔滨i ：程人学硕士学位论文 程的特征关系式的求觯方法。它是一种比较严格的求解管内一维非定常流 动方程的方法。特征线法首先出现于流体力学，在2 0 世纪4 0 年代中期丌 始f hf 内燃机领域。5 0 年代术至6 0 年代初，由于计算机的广泛应用，特 征线法得到越来越普遍的采用。r s 本森( r s b e n s o o n ) 等人在内燃机管内 气体流动计算中采用特征线法做了大量的工作，并在1 9 6 2 年首次编制了 特征线法训算程序【= l 】。特征线法所用的控制方程为： p _ c g u + 去( 粤+ 。孚) ：o 出d 。删咖 p i o u + 刖罢+ 罢+ 2 k p u = o 麻出甜 在精度要求不太高计算中，为了求解方程的方便，往往忽略 半和“半 o k出 而将方程进一步简化。国内采用特征线法对喷油系统工作过程模拟计算的 研究始于7 0 年代，而且由于当时的供油压力比较低，流动控制方程采用 了简化形式的方程。随着喷油压力的不断提高，燃油系统的设计也不断完 善，在对喷油系统进行模拟计算时，需要考虑的因素也越来越多。控制方 程采用了上式形式的精确方程。特征线法在求解一阶双曲型线线性偏微分 方程组时在理论上具有比较严格的体系，可考虑的影响因素也比较多，而 月容易得到稳定的收敛解，在计算机上编程实现时也比较简便，对压力波 的模拟较准确。但特征线法在处理边界条件时比较麻烦，而且据文献介绍， 特征线浊计算结果的流量误差比较大，特别是在非等熵严重的地方( 如三 通边界、收缩或扩张边界等) ，因特征线弯曲厉害，流量误差会更大。 3 有限差分法 有限差分法的基本思想是利用合适的差分格式，对偏微分方程在时间 和空间域上进行离散，将偏微分方程化成与其具有相似适定性的差分方程 进行数值求解。差分格式的构造方法有很多，但不是任意构造一个差分格 式都可以用柬代替微分方程作近似计算，差分方程初值的微小变化只引起 差分解的微小变化，而不会造成误差的无限增长，这样的差分格式才是稳 定可用的。对有限差分格式的另一个要求是计算精度，计算精度往往与时 酬、空蚓域的离散阶数有关，h 有与偏微分方程的适定性相类似的差分方 程爿可以得到确物理意义的数值解。为了提高计算精度经常采用二阶精度 哈尔溟i i 样人学硕十。￥：能论文 豹蒸分格式，二除糖度格式透露以中心差分格式必基毯建立，嚣中心蓑分 格式楚不稳定的，为了对差分格式产生的菲物理性振荡溅行耗散，往穗需 爰添加人r 补性：项，但t h 于耗散项的人为困綮较多，而麒耗散量的多少选 择铰难，所以最终会造成蔗分格式存整个求瓣域内精度的卜降。因此，有 隈萋分法在嚣算稳定性帮诗箨穗浚之阚存在矛莲，餐在讨辫速瘦弱谤黪耩 度上般优于特征线法。 4 ，有限容积法 露羧窖积法款蒸卒愚想是将滚动控割方稳辨姣教斡诗簿区域离散化为 有限个较小体积的控制客积或称控制俸，然褥将控制方稔在每个控制容积 上对时间和空间域积分并选择适当的差分格式将偏微分方程组转化为离 散的守恒型的线性代数方程组( 连续的函数变量被离散成谢限个结点谯) 进 嚣数壤求簿。奁逡箨差分格式霹，应注意霞璃漱方程与瑟穰搬努方稳菇同 样的物珊内容和藏本性质，即应使差分方程与偏微分方程肖相似的适定 性，比就是要求差分方程初值的微小变化只引起差分解的微小变化，并最 终收敛于准一的勰。毒疆容欢滚德镄徽分方程在控割搭上终积分，这点 与有限元法有稆似之处，但在离散方法和离散方程形式上爨更像有限麓分 法。出于偏微分方程在控制体上作了积分，因此，偏微分方程包含的守恒 性质藏每个控弗0 体上都是严格遵守的，只要波法保持捆邻两控制伴在必同 嚣瑟主瓣糖理羹筑籀等及萁导数连续，那么谯整个诗算壤土藏都麓爨撩守 恒，即使离散网格较粗也是如此。因此，从理论上讲，商限容积法可以避 免流濑计算误差。但实际上数慎计算过程的稳定性和精魔迸要取决于控制 体器藤物理量豹翰运通量诗算掺式靛稳定瞧及误差翳累积程痊。不嗣熬差 分格式对计算结果会产生较大的影响。有限藏分法与有限容积法在露力波 模拟精度上差别不犬，但有限容积法比有限差分法计算遴度快，流墩误 差小，在计算结点的安排以及边界条件的处理上也比有照差分法简单。有 疆奔荦鬟法在爨漕系绫仿奏中懿废塌是一个令人关注数瓤趋囊。浚方法在多 维气体流动研究巾卣占据莺要地位，在内燃机进排气系统仿真研究中也 有成用，但在燃油系统仿真中的应用尚不广泛。 喻尔演l 槲人一节硕十学位论文 1 3 2 工作过程的模拟计算 柴油机工作过程模拟是一种现代化的计算研究方法，同传统的人工计 算分析方法相比，具有显著的优越性和合理性。传统的柴油机工作过程计 葬般是根掘传统的设计程序，并结合理论计算和必要的试验数据进行 的。由于对实际过程进行了大量的简化，所以只能是一种粗略的估算，对 柴油机的研制丌发所起的作用十分有限。柴油机工作过程模拟是对柴油机 工作过程各个阶段的数学描述，利用数学模型预测新设计或改型的发动机 性能不仅降低了研究费用，节省了人力物力，缩短了丌发周期，而且能 达j 0 使发动机绌丰勾参数和性能参数优化的目的，因而越求越受到人们的青 睐。臼1 ：世纪6 0 年代以来，计算机技术的发展给柴油机工作过程的研究 增添了活力，使柴油机复杂的燃烧过程预测成为可能。迄今，人们已经提 出了许多柴油机及汽油机燃烧模型，而且试验研究也取得了不同程度的进 展。 由于柴油机燃烧系统的复杂性，决定了在优化系统参数时存在着一定 的困难和特殊性【4 2 】： ( 1 ) 对工作过程的精确模拟是进行参数优化的前提条件。 ( 2 1 优化变量与优化目标和约束条件的关系是隐式的。 1 3 ) 柴油机燃烧系统的参数优化要在功率、比油耗、排放多个指标间折衷优 化，多目标优化问题，选择或设计一种合适的优化方法，就成为优化研究 工作的重要课题。 发动机工作过程模拟计算是一个复杂的系统工程，包括对气体交换过 程、压缩过程、喷雾雾化过程、燃烧过程、膨胀过程和排放物生成过程的 模拟| = ”l 。另外发动机是一个复杂的几何体，故难以完全确定各点的不稳 定边界条件。这就需要建立各种各样物理化学模型使方程简化。一般来说， 发动机工作过程数值模拟技术包括物理化学模型的建立选择、计算区域离 散、控制方程离散和代数方程求解几个方面。下面就内燃机工作过程模拟 的几个关键技术的发展情况进行简单的介绍。 1 流动模型 ( 1 ) 零维模型和一维模型 发动机内管道流动现象非常复杂，在进行内燃机流动过程模拟时需要 晗尔滨翻鼙丈学硕十学位论文 进行适当的简化。目前常用的模拟计算方法有容积法、小扰动法纪特征线 法。酶薅种疗法酶蠢邦交鲠玲缓，下蘸套绍一下姆，镬线法。 特征线法楚一种对一维非定常流求严密解豹方法，将管内视为一维菲 定常流动，考虑压力波的影响，即管内状态参数不仅随时间变化，而且沿 管的氐度方向也变化。用一维非定常漩的偏微分方稷组柬描述管内气体流 翻遥g l ，骜嬲特簸线法求维孥定霉滋密簿。对予中裹速大功警桨涵瓿， 排气管相剥较长，管内压力波动较大，应采用特征线法。另外利用进气管 中形成的压力波来提高气缸充气效率绒改进涡轮增哐器的低速性能时，采 嗣特征线法敬褥较好效暴。僵此方法较复杂，计算赞霜夯较离。 ( 2 ) 三维流动模型 目f ； 有许多湍流模型应用于内燃机三维流动模拟，如零方程模型中的 混合长度模型、亚网格尺度模型。单方程模型中的k 方程模型，以及双方 羧貘墼孛瓣簸。菪模型。k - # 双方程穰璧藕予潺糖毪。糕教模鍪，这耱攘鍪对 湍流的模型基于b o u s s i n e s p 假设m 1 隐食湍流是各向同性的，这并不符合 物理事实，对于具有高涡流比、强瞬变的备向异性的流场，采用k - s 双方 程模型壤会产生较大蛉诗箨误差。为了籁决这个瓣联，塞理了藏谈建立霍 诺盔力输送方程，荠对其中的脉动关联颈加以模型化后再进行求孵的雷诺 _ 陂力模型。雷诺应力模型融在一些科研和工程实际中得以应用，但是其计 算成本太高，为了既能保瞅直接求解雷诺应力模型的特点，又不馊计算成 本太赢，窭鬣了代数应力搂鹫( a s m ) ，代数应力搂鍪将徽势方簇蘧链为 代数方程进行求解，保留霸诺应力各问异性的特征。之后在8 0 年代末9 0 年代初，发展了将湍流流动区域分为受边界及初始条件影响较大的大尺度 漏强和受影瓣较，j 、魏小尺度漏函麴溱溅大潺摸拟 l e s ) ，以及象的特殊 情况直接数德模叛( d n s ) 。这种模投的主要缺点蹙簧求跣较精细的网格， 训拜量大，不过随着超缎计算机的应用，还是为内燃机内流动的精确模拟 展示了美好的觚景。 ：+ 爨浇模鍪 内燃机燃烧过程模拟大体一1 - 经历了燃烧放热率计算、零维燃烧模型， 嘏燃烧模型和多维燃烧模型四个阶段j 。 l 赝斛燃烧艘热李嚣砖算，罡拯由懿内压力数掇，掇搀熊登守恒方程 鞫经验黄热公式，推算燃滴燃烧的放热过程，用以努轿内燃祝的燃烧。这 哈尔演r 稗大学硕+ 学位论文 i i i i _ - - _ _ _ i _ i 鲁薯自i ；j 黼 11 目赫自自i i i ；| z # # # 皇 秘方法涎较筵蠖、蹇魂，霹诊叛燃烧套一定豹馋爱，覆不戆谨朝更多款纲 褡，作朋有限。 ( 2 ) 零维模型义称单区模型。岜是通过大爨实际燃烧放热过程的统计分 析，找出翅律用经验公式或曲线拟合的方法，建立起一种淡达燃烧放热过 程参数闫懿经验关系式，褥复杂懿爨浇遭稷麓纯麦咒令跨薤参数阕翁关 系，如a u s t e n l y n 的三角线法，w h i t e h o u e 的单区模型等。这些模型对于 分析、汁算利预测内燃机性能越了一定的作用，能够估计燃烧过程中的主 要缝戆参数，实践诞明袭_ i 是膏慧的，嚣裁仍被采溺。不过，这类摸黧实 际上怒一些纯经验横型，有很大的使用局限髓，特别是谯箨 放耪的预溯上 己光能为力。 3 ) 矬缍摸型是目前研究的比鞍多的一神模型，它诞生予7 0 年代，其 发袋的童谈琢鬣怒撵教静袋铡。这类模鍪是杰煞力学模型酌基确上考爨喷 雾及火焰传播等物理过程的长艘尺度，把燃烧室按火焰位黼或空间分稍形 态，分成两个以上的区域，分别考虑喷雾扩散、油滴蒸发、混合与卷吸、 燃烧火焰抟撵及已爨区燃烧产物变纯等予避缓，组或燃烧模型颈测瓤肉不 同区域的燃烧温度，并针对不同丰几型侧重不同的子过程。往放热率更接近 实际，并能预测有密排放物浓鹰。但由于准维模型对若干子过程的描述是 建立焱经验、表现的基础上，其通用性受到限制。 ( 4 ) 多维模鍪避免了雍维模黧豹获焘，它瓣过程酶捶述不再是簸瑗象密 发，丽是建立在流体力学、热力学、燃烧化学等普遍定律的基础上。多维 模型堪过求解质i l | | ：铲恒方程、动_ 鬟| 守恒方程、连续性方程及状态方程等基 本缡微分方程，搿懑与燃烧过鼹籀关鼓较谨尽豹信惑，魏气辐场速度、漫 度、压力及组分浓度的瞬态空间分布。燃浇过程的三维模按较迸排气流动 模拟还处于初级丌发阶段。缸内燃烧过程包含湍流流动、化学反应及朦流 扩散。目前对火焰的结构及其转援机理的研究还不够充分，还不能提出切 实有效静燃烧穰鍪。僵也高强了缀多应臻予国燃聿琵矮城懿释释熬浇模麓帮 方案。 发动机工作过糕数值模拟的一个重要内容就是对燃烧产物的预测。虽 然攒放糖模毅也怒燃烧模拟兹有祝组戒部分，毽在燃烧摸塑中都尽嚣避舞 化学动力学枫理。而这些萨是摊放物生成研究的重点及难点。目前，除对 、( 】。1 i j ：成机理的研究外，刘( ：( ) 、 c 、碳烟等的生成机理还没有取得突破性 哈尔滨i 样人学硕十学位论文 的进展。因而对排放物的模拟和预测主要还是基于经验性的现象模型。由 于目前的试验无法对排放的各组分及各阶段生成产物进行分丌考虑，所以 模拟计算仍然是研究排放生成机理的有利工具。 7 0 年代仞出现的扩展z e l d o v i c h 模型在揭示n o 的生成机理和预测n o 生成量方面至今应用非常广泛。n o 。的单元反应模型是在8 0 年代末成熟 起来的。h c 的生成主要由裂解、润滑油以及淬火等原因产生，正确建立 这些物理模型是h c 排放模型的难点。c o 的生成与燃烧反应有直接的关系。 利用 社步总及戍( o n es t e pg l o b a lr e a c t i o n ) 模型可以在一定程度上模拟c o 排 放，但因的生成受到各种流动、化学动力学、热传导以及相变等因素 的影响，此种零维模型的计算仍达不到实际要求。8 0 年代末9 0 年代初出 现了微粒生成模型和催化反应模型。目前有两类微粒生成模型：一类是广 安等人给出的由a i r h e n i u s 反应式从整体上反映碳烟生成过程的表现模 型；另一类足d e n t i m e t h a 等人从碳烟的生成和氧化机理出发给出的微观 模型。这无疑对预测排放物的研究是一个巨大的鼓舞。但不可否认的是这 些模型离反映真实物理化学过程还有一定的差距。发动机工作过程分析的 常用数值模拟工具有：s c r y u ，p o w e r f l o w ，s t a r c d ，f i r e ，b o o st ， k 1 v a 、c f x 一5 、f l u e n t _ f i d a p , p h o e n i c s i ”l 等。不同的软件在不同应 川领域有各均优势。如s c r y u p o w e r f l o w 在剥离再附着、喷流、涡 流等方面的讨算精度比较高，适合于空气动力方面的研究 3 2 1 。而s t a r c d 因它的计算和分析时间比较短，所需内存容量不太，且可以自动生成非结 构化网格，广泛应用于发动机定常流、喷雾燃烧、冷却水等领域的分析。 作为奥地利a v l 公司的发动机专用一维模拟软件b o o s t 依靠其强大的试 验能力的支持，最近发展相当快。 b o o s t 软件是一个功能强大、界面友好的发动机稳态和瞬态分析软 件，提供了丰富的发动机元件模型及接口。b o o s t 可用于各种发动机的 热力学循环模拟计算，包括二冲程的、四冲程的、点火式的、压燃式的发 动机，小到摩托车用发动机，大到船用发动机。它可以模拟包括燃烧在内 的发动机的整个： 作循环过程。 罔内，内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、数值方法 和计算程序的基础上，丌发出许多适合微机的内燃机工作过程数值模拟程 序。如北京理工大学丌发的三维内燃机工作过程通用程序r e s 3 c i i ；中 哈尔滨l ：特 人学硕十学何论文 囤科学技术大学火灾科学院重点实验室丌发的计算直喷式柴油机螺旋进 气道与缸内空气的大型微机化程序i p i c c f d ；同济大学、江苏理工大学 丌发的涡流式柴油机工作过程的三维模拟程序e n g i n e i i ：吉林工业大学开 发的微机版内燃机缸内多维气流运动模拟程序s l j n i 等。 总的束说，我国的发动机工作过程数值模拟还处于刚刚起步阶段，国 外在这方面的研究也是随着计算机技术的飞速发展才发展起来，很多方面 还不完善。尤其是排放、燃烧和燃油喷雾等方面各种物理化学模型需进一 步完善，由于计算机技术的飞速发展，计算速度的提高更多的依赖于计算 机速度的提高，而计算方法的改进所带来的计算时阳j 的缩短效果并不明 显。它的改进更多的是考虑计算精度的提高。网格生成技术在近几年发展 很快，不仅使研究丌发周期大大缩短，而且使模拟的情况更接近实际发动 机几何运动学状态。 1 4 本论文主要工作 本文的研究工作是针对4 0 7 厂开发的1 2 v 1 3 2 高速柴油机展开的。利 用舆地利a v l 公司开发的h y d s i m 和b o o s t 软件对该机建立模拟计算 模型。其具体内容如下： 1 首先根掘1 2 v l3 2 燃油喷射系统的外形结构和喷射方式选择相匹配 的各个模块，搭建燃油喷射系统计算模型。在模型的搭建过程中包括数据 的输入和仿真控制参数的确定。然后运行搭建好的计算模型，对运行结果 进行综合分析，提出改进方案。 2 建立12 v 13 2 的工作过稗仿真模型，同时利用燃油系统中计算出的燃 油喷射率、轨道压力等参数，作为工作过程的原始数据。运行工作过程仿 真模型，得出缸内各个性能参数。然后对计算结果进行分析提出改进方 案，优化设训参数。 哈尔演11 稗人学硕十学位论文 第2 章1 2 v 1 3 2 柴油机燃油系统模型建立 本肇要研究的是燃油喷射系统，即燃油裂高压油镣一喷油器的聚一 警一瀵系统。弱瘸娥乙公司熬h y d s i m 款l 擎建立内燃掇燃澹缕楚系绫瓣 数值樵删：其中戗括物理模型的建立，计算模型的建立及矮各项参数指标 的确定。 2 。112 v i3 2 柴油褫嚷油系统简余 燃油喷射装霞悬柴油机的一个重要组成郝分，它的功用是根据柴油机 工俸蘩求定程，寇蹩趣将雾铯溪豢蓑好懿燃漓技一定豹熬律嚷天气疑，并 使其与空气迅速而充分地混合燃烧，它对柴油机的性能起着决定性作用。 由予它在柴油机中所处的独特地位，所以多年来一直是人们努力研究的重 点。 2 1 1 喷油泵 1 2 v 1 3 2 柴油枫罴用豹是p 型嵝油泵，j 毙型喷浊泵纛刭组合式封潮型 喷 像聚，主要由喷浦泵体、泵漓系统、油羹控毹橇鞫组成。p 墅嚷涵袋体 川销台会制造，两侧庀柃视窗口的整体结构，具有较高的强度和刚性，能 承受较大的泵端压力。侧面装输油泵，后端联接调速器，泵体上有燃油、 潆法遂窭目营接羧鞘，爨洼爨鞘接疆上装密零套藿压勰熬鑫潼蓉接铩持洼 腔内眶力一定。裂油系统主要幽出油阀紧鹰、法兰套、出油阀偶件、出油 阀弹簧、减容器、出油阀挚片军口柠塞偶件组成，泵油系统各个部件作为一 个蹩 拳采1 荨i 予装瑟挂式结构，蠲擦拴固定在疑体的中心孔内，法兰套上有 可转动l o 。的腰麓孔，用以调熬各缸供滴蹩的均匀度，在法兰和泵体闯 装有成对的丌口热片，改变颦片的厚度可调整供油预行程。油量控制机构 主要出角型控油挝车1 和油量控制套简组成。控油拉杆通过两端导向套装在 聚 奉奠部馥箍轲嫠妻凑并每溪逮嚣联接，越抒芎亍程由谣遮器控裁。涵爨控裁 套简髓上焊有一钢球与拉杆上方的方槽啮合下端的扁槽器在柱塞的下部， 哈尔滨i 群人学硕十学位论文 这样拉杆的移动通过控制套筒带动柱塞旋转改变了柱塞上斜槽与柱塞套 上的进回油孔的相对位置即改变了供油量。 2 1 2 高压油管 高j j 汕话连接喷油泵和喷油器，1 2 v 1 3 2 系列柴油机的高压油管长度都 一样，弯曲形状各异，。 2 13 喷油器 喷油器的1 作状态直接影响到柴油机的工作动力性能、经济指标、排 气温度和排放特性，其基本作用是定时定量地将燃油以适合的宏观状态 ( 油束方向、物化状态、射程和喷雾锥角等) 和微观状态( 如油束粒度和 分布) 喷入柴油机燃烧室，与燃烧室的形状和燃烧方式良好地配合，形成 完善的燃烧过程。 喷油器在柴油机工作中承受相当高的机械负荷、液力负荷和热负荷， 随着柴油机的不断强化，其工作条件越来越严酷，因此要求喷油器既要满 足柴油机高的工作效率、大的供油量和高的喷射压力，又要结构紧凑，工 作可靠，使用寿命长和工艺性好等要求，这对喷油器的设计与制造提出较 高的要求。 2 2 燃油喷射系统参数 2 2 1 柱塞直径 通常杜塞直径按如下公式计算： 0 1 = g 。札6 0 in e ( g s t ) d ，= 1 6 9 甜”3 式中：g 一一循环供油量，g s t i v 一一发动机何效功率，k w g ，一一燃油消耗率，g k w h n 。一一喷油泵图轮轴转速，r r a i n 呤尔滨【? 枞人学硕- ：学位论文 ；i i i i i i - i i i i i i ；# i i i i j ；i i i ；= = ；# ；爿i i i i i ；自掌 d ，一一村：瓶育径，m m i 一汽缸数。 带入数掇计算取熬得：d 。= 1 2 m m ，此计算结栗与原枫数据相一致。 由于桂塞直径与行程之间有一定的比例关系，确定穗塞直径后整个喷 漓鬟凡个美缝参数中有两个就已经确定，整个泵酌谩计即可以魏为基础隰 丌。同时，存系统优化过棍中，掼窭直径足个重器的变嫩，因此最后浚值 还有可麓调整。般束蕊，妊莱计算或实验褥到的筷灌豢结采不雅潢是察 际工况需瑟，则加大柱塞岚径是肖效解决方案之。但同时会引起其他问 题，翼搭潦形将在模熬诗舞缮采静分褥中详囊说嚼， 2 2 ，2 高题浊管巍径 高压油管内径的确定爱考虑以下几方面因素，首先，该内径尺寸和喷 ；l l 凝柱塞巍径闻鸯一定配套关系，其次，高压滴管内径尺寸应爆可能，j 、， 以尽量减小高压部分容积，降低二二次喷射发生的闭能性。但同时疆保证油 管内流逮不整过竞许蓬，一般高建柒涵瓶为2 5 m s ，大登柒涵税为1 5 m s 。 参考国内外同类型机此处高压尺寸选择原机数据，该值为d = 3 m m ；油篱 戆豁径d = 8 m m 。 2 2 。3 柱塞升程 根掘柱塞直径和升程比 = d h 柬计算柱塞升程。通常的升程比为 2 = 0 + 8 2 s ；篷照旯驻0 9 ，得程蹇舞程并取整褥h = 1 3 m m 。 2 2 4 柱塞凡傍蠢效行程 魂= 4 0 0 0 q i 万疆# 。( m m ) 式中：岛。一一为2 0 。c 时燃油密度t 对于柴油p 2 0 z o 8 0 8 8 ； 。一一粪涌系数，对予高速辊可敬o g 。 代入数据厝计算得吃= 1 2 m m ，此处计算出的有效行程和原机数据完全一 致。 6 哈尔滨i ：穰人学硕七学位论文 2 2 5 出油溺尺寸酌 出油喇侏证正常的喷射过程，其本质是一个液力自动阀，在柱塞产生 弱灌压馋鼹下塞懿嚣赛，在出濑阙弹簧穗褰莲洼慧蘧力懿撂悉下美 l l 。毫 泊阀与阀鹰是燃油喷射系统中的一对重鼹偶件，落的结构参数决定了燃油 程管路中愿力丌始上升的时蒯，直接影响到供油璧并决定了残余压力的大 小。 董滂溺豹结穆参数与喷酒裂帮喷酒器等参数豹良努匹醮两以在强大程 度l 保i i ：柴油机【! ：作的经济性，提高柴油机的使用寿命。确定出油阀的结 槐参数电是本次模孝竣计算的重羲肉容之一。 由于设绽的最高喷射压力比较高，高压油管内残余压力也比较高，为 脊效防止二次喷射的出现决定采用等愿出油阀。出油阀类型确定后，最 耋溪熬缤稳参羧就跫蠢灌溺势糕。凄 蠡溺秀翟对 照涵褒捧、怼柱塞胶蠢密 油阀腔的压力有重要影响。这怒因为出油阀流通截面处的节流作用的大小 受该截面面积大小的影口向，露该处的截箍大小又 庵接由出油阀手 程艨决 定，丽露这静节流律糯还影编了燃辩的裙始压力，丽韧始压力在报大程度 上决定了喷射的速度和喷射持续的时间以及循环傲油量。改变出油阀升程 袋铡建i 以明鑫修l f 供溜速凄姆睦，特澍是小镆瀵量霸羝遴工漫眩。 出油阍寤勺通道面积应保证燃油流动时阻力最小，一般为高压油管截面 面积的两倍以上。采用如下公式计算： f = 万y t 十y s i n 9 1 3 ) e o s ( a 1 2 ) ( r a m ) 式中：d ，一一出油阀赢径，mn 1 v 出汕蚓卅 坠，m m 口一一阀座镜面角，度 通过计算出油阀崴径确定为：9 r a m ，出油阀座丽锥角9 0 度，流通面 积确定失蔫矮 蘧管截蠢强憨嚣绥，诗算纛器到：y 一4 。7 r a m ；懑瀵阉窟 l l 压 力确定为：2 m p a ，以上各个